基于精密旋轉軸數字化柔性生產的自動化車削方案的研究

陳 雪

(包頭職業技術學院 數控技術系，內蒙古 包頭 014030)

隨著產品的多品種、小批量的市場需求越來越明顯，激烈的市場競爭及非常短的交貨周期使制造企業越來越廣泛地采用數字化柔性生產單元。機器人柔性車削加工單元是數字化柔性生產系統的重要組成部分，它是以機器人或機械手為工作核心，由車銑復合加工中心和其他輔助設備組成，具有占地面積小、系統結構簡單、成本較低、投資較小、可靠性較高、使用及維護均較簡單等優點，成為柔性制造系統的主要發展方向之一[1]。現在各企業制造車間中的數控車床數量雖然較多，但普遍存在利用率低的問題。本文以此為背景，構建了一種基于自動上料機和工業機器人的柔性車削加工單元，并重點描述了其自動化車削的設計方案，以10號零件為例，經實踐證明，該自動化車削方案可行有效，不僅滿足了零件的加工要求，提高了生產效率，而且實現了高速、高精度、高效率的加工。該新型精密旋轉軸數字化柔性生產單元可廣泛應用于軸類零件的自動化加工，能夠顯著提高企業的整體裝備水平和市場競爭力。

1 生產單元描述

一種新型精密旋轉軸數字化柔性生產單元的設計，對精密軸類件加工線進行自動化集成，完成從粗到精加工過程全數字化柔性化生產(見圖1)。

圖1 全數字化柔性生產單元

1)生產線以13種零件為對象，建成一條具有數字化、自動化功能的柔性生產單元。生產單元主要承擔零件半精、精加工工序的車削與銑削加工。

2)生產線承擔13種零件半精、精加工工序的制造，生產線的工藝和自動化必須考慮高度柔性，換產便利，且設計理念必須安全可靠。

3)生產線的自動化和工藝必須成熟可靠，需要考慮航空零部件材料的難加工、刀具壽命短、不易斷屑等特點。

1.1 生產單元工藝工序

精密旋轉軸數字化柔性生產單元工藝工序見表1。

表1 精密旋轉軸數字化柔性生產單元工藝工序

1.2 自動化工藝流程

自動化工藝流程如下。

1)工件毛坯件通過料框裝料，人工使用小車推入料倉，小車帶RFID。

2)攝像系統對料倉待抓取毛坯拍照進行防錯識別。

3)桁架抓手抓取毛坯送至車一加工。

4)桁架抓手抓取車一完成件送至車二加工。

5)桁架抓手抓取車二完成件送至機器人單元中轉料框。

6)桁架抓手抓取機器人單元成品返回料倉放料。

7)桁架抓手從步驟3開始新的循環。

8)人工將成品零件使用小車推出料倉。

2 柔性自動化信息化

2.1 機床及附件

加工設備CTX BETA 1250 TC簡介如圖2所示。數字驅動技術的高精度加工和一體化集成式電主軸使該機動態性能好；機床采用專利結構，極度緊湊(見圖3)；CTX beta采用絕對式位置傳感器(不需要參考點回零)尾座/動力驅動刀具和C軸(標配)；Y軸和副主軸(選配)；模塊式結構，易擴展，從各規格尺寸的萬能車削擴展到完整加工；軸行程大，車削直徑大和扭矩大；性能穩定性好和使用壽命長；高效使用多個切削刃的多刀尖車刀；可在車/銑復合加工中心上使用一個主刀座提供多個姐妹刀，縮短換刀時間，節省刀庫空間[2](見圖4)。

圖2 加工設備CTX BETA 1250 TC簡介

圖3 機床結構緊湊

圖4 主刀座提供多個姐妹刀

2.2 帶RFID系統的中央料倉系統

模塊化組合的中央料倉系統可用于各類半精加工、精加工自動化以及檢測清洗自動化系統。RFID芯片的物流系統可以輕松組建柔性車間級MES系統[3]。

零件整齊放置在料框相應模塊內，1個料框零件儲放量為8～12件，1輛小車可存放4～5個料框，總計一次輸送量為32～60件(見圖5)。

a)儲料框

b)料框運輸系統圖5 帶RFID的料框運輸系統

帶RFID的料框運輸系統是物流和自動化相結合的柔性倉儲系統，可用于車削半精加工自動化系統，也可用于磨削精密加工以及檢測和其他輔助工序。料車推送進入到FSC 600附屬RFID芯片檢測物料是否正確，目前僅設計檢測RFID內寫入的零件號是否與自動化啟動的相關程序所屬零件號相符合；RFID芯片內所有相關數據需要在物料裝載時提前輸入；通過讀取錄入數據自動化系統可記錄所屬位置零件的零件號[4]。

2.3 攝像防錯Congex視覺辨識系統

自動化辨識零件長度及外徑；通過與預存零件的長度及外徑的比較確定上料零件的類型；校正上料系統的抓取誤差，提供上下料精度，確保上料無誤(見圖6)。

a)Congex攝像機

b)自動化辨識零件長度及外徑圖6 Congex視覺辨識系統

2.4 車間級自動化無縫連接

MES核心的職責就是生產過程的管控，基于控制層提供的設備可靠性參數，及時地分解并執行系統下達的生產訂單，按時保質保量完成生產任務，只有關注到每個生產單元、每個設備、每個班次、每個工序、每個參數，才能完成它最終使命。但要更完美地完成使命，系統就需要協同其他功能模塊對計劃執行的排產、生產運行的排班、各階段產物質量的監控、設備實時運轉狀態的監測、工藝參數的優化與存檔、庫存物料的出入庫及上下架、整個生產過程的數據進行分析與預測。車間級自動化無縫連接如圖7所示。

圖7 車間級自動化無縫連接

3 自動化車削解決方案

1)自動化車削解決方案1見表2，案例如圖8所示。

表2 自動化車削方案1

a)單刃車刀

b)Multi tools多刃車刀+姐妹刀圖8 自動化車削方案1

2)自動化車削解決方案2見表3，案例如圖9所示。

表3 自動化車削方案2

a)普通CNC加工方案

b)車床自動高效斷屑方案圖9 自動化車削方案2

3)自動化車削解決方案3見表4，案例如圖10所示。

表4 自動化車削解決方案3(自動化夾具系統)

a)普通夾具

b)高性能柔性夾具圖10 自動化夾具系統

夾具手動快速更換：以前使用的模塊化漲套快換裝置更換時間在2 min內，現在使用的夾頭快換裝置更換時間在15 s內(見圖11)。

a)模塊化漲套快換(2 min內)

b)夾頭快換(15 s內)圖11 模塊化漲套快換裝置與夾頭快換裝置的比較

零件裝夾、夾具特性：TESTit 4.0加持力測量避免薄壁零件夾持變形(見圖12)。

圖12 TESTit 4.0加持力測量

4 提高加工效率

以10號零件為例，零件材料：GH4169，毛坯尺寸：110 mm(D)×115 mm(L)，10號零件毛坯如圖13所示，裝夾示意圖如圖14所示。

圖13 10號零件毛坯圖

a)OP10

b)OP20

c)OP30圖14 10號零件裝夾示意圖

使用德馬吉生產的五軸聯動萬能復合加工中心CTX BETA 1250 TC設備，加工航天行業內屬于較常用的材料GH4169高溫合金，硬度為40～45 HRC，其綜合力學性能非常好，但同時也給加工帶來了很大的困難[5]。采用多刃車刀+姐妹刀，高壓內冷+特殊刀片槽設計+參數優化，夾頭快換裝置，加工的刀具線速度多采用Vc=20～60 m/min，每齒切削量為0.06～0.2 mm，可以較好地加工該零件，最終加工表面粗糙度為Ra1.6 μm。經實踐證明，OP10/OP20加工時間為39.30 min，OP30加工時間為20.10 min，10號零件總加工時間為59.4 min。通過充分的工藝和自動化優化，比原有生產單元效率提升400%，該種加工工藝高效可行，不僅滿足了零件的精度要求，而且提高了生產效率，降低了加工成本，成功實現了高速、高精度、高效率的多軸加工[6]。

5 結語

一種新型精密旋轉軸數字化柔性生產單元的設計，對精密軸類件加工線進行自動化集成，完成從粗到精加工過程全數字化柔性化生產。柔性加工單元越來越受到機床制造商和用戶的重視。本加工單元已在某精密零部件生產廠得到了實現和應用，在很大程度上提高了生產效率，降低了工人的勞動強度，同時也保證了產品的質量，使生產具有柔性化功能。采用柔性化車削加工自動化生產，提高了數控機床的操作安全性，降低了工人的勞動強度，工件的上下料及自動加工連接緊密，因此大大提高了工作效率，具有較好的推廣價值。該精密旋轉軸數字化柔性生產單元可廣泛應用于軸類零件的自動化生產。